npj: 热电明星材料Mg3Sb2—理论设计和实验验证

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全球日益增长的能源消耗迫使人们着力开发替代能源技术。能够将废热转化为电能的热电（TE）技术，显示出废热收集应用的潜力，而且热电装置是完全固态而不需移动的部件，具有紧凑、安静、无需维护的巨大优势。这么富有前途的技术却被卡在一个瓶颈之处——低转换效率，这一限制因素主要根源于材料的性能。

具有CaAl₂Si₂型结构的AB₂X₂化合物（A是碱土金属或二价稀土元素，B是过渡金属或主族元素，X元素通常来自第14、15族，偶尔来自第13族），通常被描述为Zintl相，由于其有望成为可应用的热电材料而风靡。来自丹麦奥胡斯大学化学与iNANO系材料晶体学中心的Bo Brummerstedt Iversen教授和张家伟博士，总结了该领域一些成功的经验，介绍了许多有启发性的见解，如轨道交叠、轨道简并、轨道分裂能、谷退化、有效质量、载流子袋各向异性、费米表面复杂性、点缺陷、电负性、共价键，以供深入了解Mg₃Sb₂及相关CaAl₂Si₂型热电材料中的电热输运性质。他们从晶体结构和Zintl概念的一般介绍开始，这一概念现已被广泛应用于理解CaAl₂Si₂型化合物的结构、键合和电子输运。

之后，他们揭示了AMg₂X₂中几乎各向同性的3D化学键合网络，其中Zintl公式不再适用。对于p型材料的电子输运行为，他们讨论了如何通过固溶体形成和晶格常数应变来降低晶体轨道分裂能，设计价带顶附近的能带简并，以优化电子输运行为；而对于n型材料，他们揭示了多谷导带和复杂的费米面是其卓越电热输运性能来源。然后，他们回顾了在不同热力学状态下，本征p型材料的缺陷化学和令人惊讶的n型材料的输运特征，突出了缺陷控制的载流子输运及其与电负性和键合特性的相关性。对于热传导，作者回顾了Mg₃Sb₂中固有低晶格热导率的起源的第一性原理计算研究结果。此外，他们还讨论了关于晶体轨道和化学键合的电输运和热输运特性的各向异性。最后，作者总结了当前的挑战和花很大笔墨介绍了未来发展的前景。

该文近期发表于npj Computational Materials 5: 76 (2019)，英文标题与摘要如下，点击左下角“阅读原文”可以自由获取论文PDF。

Insights into the design of thermoelectric Mg₃Sb₂ and its analogs by combining theory and experiment

Jiawei Zhang, Lirong Song & Bo Brummerstedt Iversen 

Over the past two decades, we have witnessed a strong interest in developing Mg₃Sb₂ and related CaAl₂Si₂-type materials for low- and intermediate-temperature thermoelectric applications. In this review, we discuss how computations coupled with experiments provide insights for understanding chemical bonding, electronic transport, point defects, thermal transport, and transport anisotropy in these materials. Based on the underlying insights, we examine design strategies to guide the further optimization and development of thermoelectric Mg₃Sb₂-based materials and their analogs. We begin with a general introduction of the Zintl concept for understanding bonding and properties and then reveal the breakdown of this concept in AMg₂X₂ with a nearly isotropic three-dimensional chemical bonding network. For electronic transport, we start from a simple yet powerful atomic orbital scheme of tuning orbital degeneracy for optimizing p-type electrical properties, then discuss the complex Fermi surface aided by high valley degeneracy, carrier pocket anisotropy, and light conductivity effective mass responsible for the exceptional n-type transport properties, and finally address the defect-controlled carrier density in relation to the electronegativity and bonding character. Regarding thermal transport, we discuss the insight into the origin of the intrinsically low lattice thermal conductivity in Mg₃Sb₂. Furthermore, the anisotropies in electronic and thermal transport properties are discussed in relation to crystal orbitals and chemical bonding. Finally, some specific challenges and perspectives on how to make further developments are presented.

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